JCSprout项目解析：深入理解ArrayList与Vector的底层实现-优快云博客

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JCSprout项目解析：深入理解ArrayList与Vector的底层实现

JCSprout 👨‍🎓 Java Core Sprout : basic, concurrent, algorithm 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/jc/JCSprout

概述

在Java集合框架中，ArrayList和Vector是最常用的动态数组实现。本文将从源码层面深入分析它们的实现原理、性能特点和使用场景，帮助开发者更好地理解和使用这两种集合类型。

ArrayList实现原理

核心数据结构

ArrayList基于动态数组实现，主要维护两个重要属性：

elementData：Object数组，实际存储元素的容器
size：当前列表中元素的数量

添加元素机制

尾部添加元素

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 容量检查
    elementData[size++] = e;          // 尾部插入
    return true;
}

首先进行容量检查，确保数组有足够空间
将新元素放入数组尾部
size计数器加1

指定位置插入元素

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);          // 索引检查
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // 容量检查
    // 数组复制，腾出插入位置
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;     // 插入元素
    size++;
}

检查索引是否合法
确保容量足够
使用System.arraycopy将插入位置后的元素后移
在指定位置插入新元素
size计数器加1

扩容机制

当数组容量不足时，ArrayList会自动扩容：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // 1.5倍扩容
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 创建新数组并复制数据
}

扩容策略：

默认扩容为原容量的1.5倍
如果1.5倍仍不足，则扩容至所需最小容量
处理可能的超大容量情况
创建新数组并复制原有数据

性能优化建议

初始化时指定容量：避免频繁扩容带来的性能损耗
尽量减少中间插入操作：System.arraycopy操作时间复杂度为O(n)
尾部插入性能最佳：时间复杂度为O(1)（不考虑扩容时）

序列化机制

ArrayList实现了自定义序列化：

transient Object[] elementData; // 不会被默认序列化

自定义序列化只序列化实际存储的元素，而非整个数组：

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // 只写入size和实际元素
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }
}

这种设计：

节省存储空间
提高序列化/反序列化效率
避免序列化未使用的数组空间

Vector实现分析

Vector与ArrayList类似，但有以下关键区别：

线程安全性

Vector通过方法级同步实现线程安全：

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

扩容策略

Vector默认扩容为原容量的2倍（可通过capacityIncrement参数调整）：

private void grow(int minCapacity) {
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?
                                     capacityIncrement : oldCapacity);
    // ...
}

使用建议

在不需要线程安全的场景，优先使用ArrayList（性能更好）
需要线程安全时，考虑使用Collections.synchronizedList包装ArrayList
在多线程环境下，Vector也不能完全保证复合操作的线程安全

总结对比

| 特性 | ArrayList | Vector | |------------|----------------|----------------| | 线程安全 | 非线程安全 | 线程安全 | | 扩容系数 | 1.5倍 | 2倍(默认) | | 性能 | 更高 | 较低 | | 同步方式 | 无 | 方法级synchronized | | 序列化 | 自定义(仅有效元素) | 同ArrayList |

理解这些底层实现细节，可以帮助开发者：